仿真优化同步加速器真空室设计

作者  Bridget Paulus                                                                                                     2019年11月

同步加速器是一种粒子加速器，可用于多个领域的科学研究。由直线加速器和圆形加速器组成的加速器链可将电子束加速到极高（超相对论）的速度。当电子束进入存储环时会被强大的磁铁吸引进入圆形轨道， 同时辐射出与电子弯曲轨 迹相切的 X 射线。辐射损失的能量必须在每圈旋转时由通过放置在环上的射频腔来恢复。通过一组光学元件，将光束 从同步加速器中分离出来，然后根据给定的实验和样品的要求，对 X 射线进行调节。

类似于使用“超级显微镜”，科学家可以通过同步加速器发出的辐射观察不同的材料和化学过程。同步加速器可用于检查晶体的内部结构， 无损检测考古发现（如古代陶器），或研究复杂的蛋白质结构等。然而，尽管研究内容可能会有所不同，但均要求同步加速器辐射出的光束能量尽可能地强烈。

为加快研究进展，许多机构正计划增强同步加速器光束的亮度，阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory， ANL）的 先 进 光 子源（Advanced Photon Source，APS）也不例外（图 1）。然而，完成此项任务具有一定的挑战性。RadiaSoft LLC 是一家利用仿真工具来设计粒子加速器的公司， 该公司的工程师 Nicholas Goldring 认为加速器的 优化过程涉及多个物理场，其中包括真空科学、磁场、热和粒子运动。然而，即使是对加速器的单个组件而言，其优化过程也可能非常困难。例如，电子束穿过真空室时会产生复杂的物理效应，这些效应之间会相互作用和影响，并且其过程漫长而复杂。

图 1  ANL 先进光子源的同步加速器

为了研究受不同因素影响的加速器真空室，在美国能源部的支持下，RadiaSoft LLC 和 ANL 利用 COMSOL^® 多物理场 仿真软件联合开发了一个同步加速器真空室的模型，并创建了仿真 App。他们将该仿真 App 分发给世界各地使用粒子加速器的机构。

真空室的多物理场仿真

真空室（图 2）是影响粒子加速器有效性的关键组件。Goldring 表示，真空室必须保持在毫微托的压力水平，以使电子束运动时不受阻碍。压力过高会使气体粒子增加，导致散射和束流损失。通常，准确计算高温、同步辐射、放气和解吸作用等情况会比较困难，尤其是当这些现象相互影响时。

图 2  真空室的二维轴对称几何结构
注：将该设计用于先进光子源时，需要将其尺寸从 190 mm 减小至 22 mm

因此，粒子加速器工程师需要借助仿真软件来优化真空室设 计。Goldring 表示 ：“传统仿真软件高度定制化，而且往往只能模拟一个物理过程。” 此外，由于这些软件包几乎没有说明文档（即使有的话也很少）， 因此，在实际使用过程中难以掌握其使用方法，容易造成相对孤立的工作环境。例如， 一位工程师擅长射线追踪分析，而另一位则精通气体流量分析和压力计算。传统仿真工具功能单一，每位工程师只能对特定的更改进行测试，而测试数据需要在多个工具之间进行循环迭代才能完成设计。

为了简化工作流程，RadiaSoft 选择了 COMSOL Multiphysics^® 软件中附加的射线光学模块和分子流模块进行分析。“ COMSOL 软件的多物理场功能非常有用，它使真空工程师以更简单的方式执行重要的计算。” Goldring说，“在同一个软件界面，它可以对多种复杂的现象进行建模。”

与其他软件相比，COMSOL 多物理场仿真软件还具有更强大的数据分析工具、 更快的求解器等。Goldring 表示 ： “在对分子流进行模拟时，COMSOL 可以同时对多种气体进行建模，这非常方便。”普通的加速器仿真软件通常一次只能模拟一种物质，而 COMSOL 不仅可以模拟多种物质，还能获得同样的精度。

Goldring 将使用其他软件模拟的结果，与在 COMSOL 软件中模拟真空室中自由分子流的结果进行了比较，发现两者具有良好的一致性。

功能强大的粒子加速器仿真 App

RadiaSoft 和 ANL 使用 COMSOL 软件中的 App开发器将真空室模型封装为一个仿真 App，使其更易于分析同步辐射光束的传播对设计的影响。 “使用者不必理解模型的原理，就可以明白如何设置复杂的光线追踪。” Goldring 说道。他们 可以通过仿真 App 定义光束的起始位置， 创建磁体的几何形状，导入 CAD 几何图形，以求解压力、温度等物理量。

图 3  分析真空室中同步加速器辐射的射线追踪的仿真 App

粒 子 加 速 器 仿 真 App（图 3）可以解决多个物理场耦合的问题 ：如可以使用射线光学分析同步加速器中辐射的传播，观察 X 射线击中真空室壁时，放出的气体对真空室压力的影响等。

用户还可以在仿真 App中自定义参数，例如电子束源、束流的能量、 电弧长度，以及偶极磁体的强度。单击仿真 App 中的“计算”按钮，就可以模拟出射线的路径和功率，以及真空室内的温度，并将结果可视化。对于粒子加速器工程师来说，仿真结果可为高能束流在不同位置的辐射功率分布提供有价值的参考，使他们能够探测束流在同步加速器中传播时的分布情况。

该仿真 App 还可以 用来确定从真空室壁上解吸的气体量（图 4）。在真空室内，高能粒子束产生同步辐射，撞击在壁上时会导致气体分子逸出，影响真空室内的压力。然而，保持真空压力对于电子束的寿命而言至关重要。为了避 免电子束失效，需要知道释放进入腔室的气体量的多少。

图 4  用于计算气体解吸量和压力的仿真 App

仿真 App（图 4）还简化了计算过程。将射线追踪与将射线数量转换成壁面上累计的光子通量密度的方程式相结合进行模拟，可以确定各种物质的解吸气体。利用入射能量通量设定自由分子流模拟的边界条件，可以预测出真空室内气体分子的密度和压力。正如 Goldring所说“该仿真 App 可以导入 通量曲线，然后根据气体性质和材料特性自动计算排出 的气体量。”仿真 App 还可以同时模拟多种气体。

仿真 App 增强团队协作和反馈

在创建完一个仿真 App 后，Goldring 使用 COMSOL Server ™ 将其分发给参与项目的其他合作者（ 图 5 ）。RadiaSoft 的Paula Messamer 认 为，通过创建并部署仿真 App，可以使真空室设计协作过程更加高效。“即使是专业知识水平较低的工作人员，通过使用仿真 App 就可以解决问题，而无 需 重 新 编 程，也无需经历艰难的学习过程。”她补充说道，“仿真 App 本质上更像一个计算器 。”

图 5  RadiaSoft 在 COMSOL Server™ 中部署的仿真 App

通 过 部 署 仿 真 App，RadiaSoft 还可以获得现场人员的反馈，从而根据用户需求自定义仿真 App 的界面。Goldring 表示，他们创建的仿真 App 不仅由 ANL 进行测试，还在全球其他粒子加速器设施中进行了测试。

未来计划

未来，Goldring 计划改进该仿真 App，以使其具有可以导入任意几何形状的功能，这将使用户在测试和优化不同的真空室设计时更加轻松。此外，RadiaSoft 还希望推广该仿真 App，以适应现有和未来不同类型的粒子加速器。

通过部署仿真 App，RadiaSoft 和 ANL 的团队为工程师提供了一种可以改进粒子加速器真空室设计的专用仿真工具。 多物理场仿真及仿真 App 不仅能够优化真空室的设计过程，还可以提升粒子加速器的性能，并推动该领域的前沿研 究和成像进展。